白萝卜种子颗粒接触参数标定.pdf
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1、第8期闫建伟 等:白萝卜种子颗粒接触参数标定1 D O I:1 0.1 3 7 3 3/j.j c a m.i s s n.2 0 9 55 5 5 3.2 0 2 3.0 8.0 0 1闫建伟,魏松,张万萍,等.白萝卜种子颗粒接触参数标定J.中国农机化学报,2 0 2 3,4 4(8):0 1-1 1Y a n J i a n w e i,W e i S o n g,Z h a n g W a n p i n g,e t a l.C a l i b r a t i o n o f d i s c r e t e e l e m e n t c o n t a c t p a r a m e
2、t e r s f o r w h i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e s J.J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n,2 0 2 3,4 4(8):0 1-1 1白萝卜种子颗粒接触参数标定*闫建伟1,2,魏松1,张万萍3,张富贵1(1.贵州大学机械工程学院,贵阳市,5 5 0 0 2 5;2.浙江大学生物系统工程与食品科学学院,杭州市,3 1 0 0 5 8;3.贵州大学农学院,贵阳市,5 5 0 0 2 5)摘要:针对白
3、萝卜种子颗粒本征参数、颗粒与种植机械装备间接触参数缺乏等问题,以白萝卜种子颗粒为研究对象,利用三维扫描逆向建模技术与E D EM软件建立白萝卜种子颗粒离散元模型,通过物理试验与虚拟仿真试验对仿真参数进行标定。采用碰撞弹跳试验、斜面滑移试验和斜面滚动试验确定白萝卜种子颗粒与A B S塑料、不锈钢板、有机玻璃和铝合金4种不同材料之间的碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数,碰撞恢复系数分别为0.4 8、0.6 2、0.5 1、0.4 4,静摩擦系数分别为0.5 0、0.4 2、0.4 5、0.4 8,滚动摩擦系数分别为0.0 1 4、0.0 2 5、0.0 0 7、0.0 0 6;通过响应曲面和D
4、 e s i g n-E x p e r t软件的优化模块对多元二次方程进行多目标优化,获得白萝卜种子间离散元模型接触参数较优组合:碰撞恢复系数0.1 9、静摩擦系数0.5 4、滚动摩擦系数0.0 2。采用圆筒提升法进行白萝卜种子颗粒物理休止角堆积试验,利用MA T L A B对堆积图像处理获得物理堆积试验白萝卜种子颗粒与A B S塑料、不锈钢板、有机玻璃和铝合金的休止角分别为3 3.4 8、3 2.7 2、3 3.8 1、2 9.8 8,仿真试验与物理试验得到的休止角误差分别为1.4%、3.2%、2.6%和2.8%。研究结果表明,白萝卜种子颗粒建模和标定所得的离散元仿真参数具有准确可靠性,可
5、为白萝卜种子颗粒离散元仿真研究提供理论参考。关键词:白萝卜种子颗粒;离散元法;接触参数;标定;排种器;种植机械中图分类号:S 2 2 3.2+3 文献标识码:A 文章编号:2 0 9 5 5 5 5 3(2 0 2 3)0 80 0 0 1 1 1收稿日期:2 0 2 2年2月1 6日 修回日期:2 0 2 2年6月1 6日*基金项目:贵州省科技计划项目(黔科合重大专项字2 0 1 93 0 1 43、黔科合成果2 0 2 01 Z 0 0 24)第一作者:闫建伟,男,1 9 8 0年生,河南周口人,博士,副教授,硕导;研究方向为农业智能化技术及装备。E-m a i l:j w y a n g
6、 z u.e d u.c nC a l i b r a t i o n o f d i s c r e t e e l e m e n t c o n t a c t p a r a m e t e r s f o r w h i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e sY a n J i a n w e i1,2,W e i S o n g1,Z h a n g W a n p i n g3,Z h a n g F u g u i1(1.S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g
7、,G u i z h o u U n i v e r s i t y,G u i y a n g,5 5 0 0 2 5,C h i n a;2.S c h o o l o f B i o s y s t e m s E n g i n e e r i n g a n d F o o d S c i e n c e,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y,H a n g z h o u,3 1 0 0 5 8,C h i n a;3.S c h o o l o f A g r i c u l t u r e,G u i z h o u U n i v e r s
8、 i t y,G u i y a n g,5 5 0 0 2 5,C h i n a)A b s t r a c t:F e a t u r e p a r a m e t e r s b e t w e e n t h e w h i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e s a n d p l a n t i n g m a c h i n e r y w e r e s t i l l l a c k i n g,p a r t i c u l a r l y o n t h e c o n t a c t p a r a m e t e r s
9、 b e t w e e n t h e w h i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e s a n d m e c h a n i z e d p l a n t i n g m a c h i n e r y.D i s c r e t e e l e m e n t m e t h o d(D EM)i s w i d e l y u s e d t o s i m u l a t e t h e k e y w o r k p r o c e s s a n d p r o v i d e s a p o w e r f u l t h e
10、o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r p a r a m e t e r c a l i b r a t i o n o f s o l i d p a r t i c l e s a n d a g r i c u l t u r a l m a t e r i a l s.T a k i n g w h i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e s a s t h e r e s e a r c h o b j e c t,t h i s s t u d y i s a i m e d t o e s t
11、a b l i s h a d i s c r e t e e l e m e n t m o d e l u s i n g t h r e e-d i m e n s i o n a l s c a n n i n g r e v e r s e s i m u l a t i o n i n t h e E D EM s o f t w a r e,a n d t h e n t o c a l i b r a t e p a r a m e t e r s o f w h i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e s t h r o u g h
12、 p h y s i c a l e x p e r i m e n t s a n d v i r t u a l s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s.T h e c o l l i s i o n r e s t i t u t i o n c o e f f i c i e n t,s t a t i c f r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d r o l l i n g f r i c t i o n c o e f f i c i e n t b e t w e e n t h e w h
13、 i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e s a n d 4 d i f f e r e n t m a t e r i a l s o f A B S p l a s t i c,s t a i n l e s s s t e e l p l a t e,p l e x i g l a s s a n d a l u m i n u m a l l o y w e r e d e t e r m i n e d b y c o l l i s i o n b o u n c e t e s t,i n c l i n e d p l a n e s
14、 l i p t e s t a n d i n c l i n e d p l a n e r o l l i n g t e s t,r e s p e c t i v e l y.T h e s e c o e f f i c i e n t s o f r e s t i t u t i o n w e r e 0.4 8,0.6 2,0.5 1,a n d 0.4 4,r e s p e c t i v e l y.T h e c o e f f i c i e n t s o f s t a t i c f r i c t i o n w e r e 0.5 0,0.4 2,0.4
15、 5,a n d 0.4 8,r e s p e c t i v e l y.T h e c o e f f i c i e n t s o f r o l l i n g f r i c t i o n w e r e 0.0 1 4,0.0 2 5,0.0 0 7,a n d 0.0 0 6,r e s p e c t i v e l y.T h e m u l t i v a r i a t e q u a d r a t i c e q u a t i o n w a s o p t i m i z e d w i t h m u l t i p l e o b j e c t i v
16、 e s.T h e o p t i m a l c o m b i n a t i o n o f c o n t a c t p a r a m e t e r s o f t h e d i s c r e t e e l e m e n t m o d e l b e t w e e n w h i t e r a d i s h s e e d s w a s o b t a i n e d.第4 4卷 第8期2 0 2 3年8月中国农机化学报J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z
17、 a t i o nV o l.4 4 N o.8A u g.2 0 2 32 中国农机化学报2 0 2 3年T h e c o l l i s i o n r e c o v e r y c o e f f i c i e n t,t h e s t a t i c f r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d t h e r o l l i n g f r i c t i o n c o e f f i c i e n t w e r e 0.1 9,0.5 4 a n d 0.0 2,r e s p e c t i v e l y.T h e a
18、 c c u m u l a t i o n t e s t o f t h e p h y s i c a l a n g l e o f r e p o s e o f w h i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e s w a s c a r r i e d o u t b y t h e c y l i n d e r l i f t i n g m e t h o d.MA T L A B w a s u s e d t o c a r r y o u t a g r a y-s c a l e a n d b i n a r i z a
19、t i o n p r o c e s s i n g o n t h e s e a c c u m u l a t i o n i m a g e s o f s t a c k i n g a n g l e,a n d t h e s e a n g l e s o f r e p o s e o f w h i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e s a n d A B S p l a s t i c,s t a i n l e s s s t e e l p l a t e,p l e x i g l a s s a n d a l u
20、m i n u m a l l o y w e r e 3 3.4 8,3 2.7 2,3 3.8 1,a n d 2 9.8 8,r e s p e c t i v e l y.T h e a n g l e o f r e p o s e e r r o r s o b t a i n e d b y t h e s i m u l a t i o n t e s t a n d t h e p h y s i c a l t e s t w e r e 1.4%,3.2%,2.6%a n d 2.8%,r e s p e c t i v e l y.T h e s e r e s u l
21、 t s s h o w e d t h a t t h e d i s c r e t e e l e m e n t s i m u l a t i o n p a r a m e t e r s o b t a i n e d f r o m t h e m o d e l i n g a n d c a l i b r a t i o n o f w h i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e s w e r e a c c u r a t e a n d r e l i a b l e,w h i c h c o u l d p r o v
22、 i d e a t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r t h e d i s c r e t e e l e m e n t s i m u l a t i o n r e s e a r c h o f w h i t e r a d i s h s e e d p a r t i c l e s.K e y w o r d s:w h i t e r a d i s h s e e d;d i s c r e t e e l e m e n t m e t h o d;c o n t a c t p a r a m e t e r;c
23、 a l i b r a t i o n;s e e d m e t e r i n g d e v i c e;p l a n t m a c h i n e r y0 引言白萝卜含有大量的维生素、氨基酸和矿物质,具有丰富的营养元素和药用价值,是人们经常食用的主要蔬菜之一12。在我国贵州、四川、重庆、湖北等地区白萝卜种植面积很大,但以人工种植为主,白萝卜机械化种植较为薄弱,白萝卜种植区和企业普遍面临着人工劳动强度高、播种效率低等问题,迫切需要实现白萝卜种植的机械化34。近年来,离散元方法(D i s c r e t e E l e m e n t M e t h o d,简称D EM)与计算
24、机技术的快速发展为固体颗粒和农业物料参数标定提供了有力的理论参考。国内外学者开展了相关研究工作,分别对大豆种子5、黑胡椒种子6、花生种 子7、大 米 颗 粒89、小 麦1 01 2、玉 米 种子1 31 5、马铃薯1 61 7等进行离散元参数分析与标定,为相关仿真提供了理论参考。白萝卜种子颗粒体积小而且形状不规则,仅靠物理试验很难获得全面详尽的参数。因此,合理确定白萝卜种子颗粒离散元模型和相关参数具有十分重要的意义。本文采用蓝光拍照E i n S c a n-3 D扫描仪、建立白萝卜种子的三维模型,基于黏结颗粒模型在E D EM软件中建立白萝卜种子的离散元模型;颗粒填充采用不同的颗粒球面半径得
25、到不同的离散元模型,结合实际试验和仿真试验对白萝卜种子颗粒参数进行标定;通过分析不同离散元模型仿真数据与实际试验的误差率得出白萝卜种子颗粒仿真参数,以期为白萝卜精密播种机研发仿真模拟提供可靠的离散元模型参数。1 材料与方法1.1 试验方法采用碰撞弹跳法和斜面滚动法,结合台架和仿真试验分别标定白萝卜种子颗粒与A B S塑料、不锈钢板、有机玻璃和铝合金4种不同材质板材间接触参数;以真实测量的休止角为目标值,运用响应曲面试验建立白萝卜种子颗粒间接触参数的二元回归方程模型,利用D e s i g n-E x p e r t软件的优化模块,以休止角为目标,对模型进行最优解化求解,得出白萝卜种子间的接触参
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- 萝卜 种子 颗粒 接触 参数 标定
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